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设想你晃动一种流体，从外部激励它。流体有黏性，使得其中的能量不断耗散，所以如果你停止晃动，流体自然而然会恢复静止。当你晃动它时，你为其输入了低频（或者说，长波）的能量，而你注意到的第一件事是，长波的能量解体成为波长更短的能量。涡旋形成，然后破碎，形成更小的涡旋，如此反复，每一次都耗散流体的能量，每一次都生成一个各不相同的节律。在 20 世纪 40 年代，A. N. 柯尔莫哥洛夫给出了一个数学描述，让人得以对这些涡旋究竟是如何运作的形成了某种初步认识。他设想，能量在越来越小的尺度上级串传递，直至达到一个限度，届时涡旋将变得如此之小，使得相对较大的黏性效应将占据主导，将能量耗散殆尽。
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为了得到一个简洁的描述，柯尔莫哥洛夫设想，所有这些大小不一的涡旋占满了流体的整个空间，使得流体处处是一样的。这个假设——这个均匀假设，后来被证明并不成立（甚至庞加莱早在四十年前就知道了这一点；他注意到在河流的起伏水面上，漩涡总是与水流平稳流动的区域交错在一起的）。3 涡旋是局域的。能量实际上只在整个空间的部分区域中耗散。随着你更细致地观察一个湍流涡旋，在每个尺度上，你都会找到新的平稳区域。因此，均匀假设让位于间歇性假设。这样的间歇性图景，在稍加理想化后，看上去是高度分形的——在从大到小的不同尺度上，紊乱的区域与平稳的区域相互交错在一起。这个图景后来同样被证明与现实不怎么契合。
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3吕埃勒；also“Turbulent Dynamical Systems,”p. 281.
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与此密切相关但又相当不同的是，湍流如何发生的问题。流体的流动如何越过从平稳到紊乱的界线？在湍流得到充分发展之前，它可能会经过哪些中间阶段？对于这些问题，存在一个略微强些的理论。这个正统范式出自列夫·朗道之手，这位苏联大科学家的流体动力学教材到现在仍是标准教科书之一。4 朗道所描述的图景由相互竞争的节律叠加而成。他设想，当更多的能量被注入一个系统时，新的节律会一个个出现，并且每一个都与前一个不可通约，就像小提琴的琴弦在受到越来越用力地拉弓时会发出第二个不调和的音调，然后第三个、第四个，直到声音变成不堪忍受的刺耳噪声。
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4L. D. Landau and E.M. Lifshitz, Fluid Mechanics (Oxford: Pergamon, 1959).
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任何液体或气体都可以被看成多至无穷的一个个基本单元的集合。如果每个单元都独立运动，那么流体的流动将具有无穷多的可能性，或者借用术语来说，无穷多的“自由度”，而描述其运动的方程组将不得不处理无穷多的变量。但所幸每个这样的流体质点并不是独立运动的（其运动相当依赖于其相邻质点的运动），并且在层流中，自由度可以非常少。看上去相当复杂的运动其实仍然是耦合在一起的。相邻的单元保持相邻，或者以一种平滑的、线性的方式相互分离，生成在风洞图片中看到的那些规则线条。香烟烟柱中的质点一起升腾而起，但只是一小会儿。
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然后混乱降临，出现了各种神秘的不规则运动。有时候，这些运动被赋予了名字：埃克豪斯失稳、扭曲失稳、交叉失稳、振荡失稳或斜向曲张失稳。5 在朗道的图景中，这些不稳定的新运动简单叠加在一起，一个接一个，从而生成有着相互重叠的速度和幅度的节律。在概念上，这个湍流的正统思想看上去契合现实，而即便这个理论在数学上没有什么用处（它也确实如此），那么也就这样吧。朗道的范式是我们在举手投降的同时保住自己些许颜面的一种方式。
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5马尔库斯。
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设想水流经一根水管，或绕着一个圆筒转动，发出微弱的、平稳的嘶嘶声。然后在你的想象中，你增大水压。一个来回振荡的节律出现了。就像一道波，它缓缓地撞击着水管。继续拧大水龙头。从某个地方，第二个频率加入了，与第一个完全不同步。这两个节律相互重叠，相互竞争，相互推搡。它们已然创造出一个如此复杂的运动（水波撞击水管，相互发生干涉），让你几乎无法跟上。现在再拧大水龙头。第三个频率加入，然后第四个、第五个、第六个，每一个都相互不可通约。整个流动于是变得极其复杂。或许这就是湍流。物理学家接受了这个图景，但至于什么时候增大能量会生成一个新的频率，又或者这个新频率会是什么样子的，所有人都没有头绪。没有人在实验中见过这些神秘出现的频率，因为事实上，从没有人检验过朗道的湍流发生理论。
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理论科学家在他们的头脑中进行实验，实验科学家则不得不还要用上他们的双手。理论科学家是思想者，实验科学家则是手工匠。理论科学家不需要任何帮手；实验科学家则不得不网罗研究生，笼络机械师，向实验室助理说好话。理论科学家在一个没有噪声、振动或灰尘的理想空间中进行操作；实验科学家则不得不与现实世界亲密接触，就像一位雕塑家对泥土所做的那样，不断敲打它，形塑它，并参与其中。理论科学家会创造出自己的伴侣，就像纯真的罗密欧想象出他完美的朱丽叶；实验科学家的爱人则会出汗、抱怨和放屁。
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理论科学家和实验科学家相互需要，但他们都允许在这段“婚姻”中保留某些不平等，从很早以前每位科学家还是身兼两职时起就是如此。尽管最好的实验科学家当中仍有一些理论科学家，但反过来就不成立了。最终，声望汇集到了牌桌上的理论科学家面前。尤其在高能物理学中，荣耀归于理论科学家，而实验科学家已经变成高度专业化的技术人员，只是负责运行昂贵而复杂的设备。在第二次世界大战后的数十年时间里，随着物理学逐渐等同于基本粒子研究，最广为人知的实验是那些经由粒子加速器实现的实验。同时，自旋、对称性、色与味——这些抽象最为光彩夺目。对于大多数留意科学进展的普通人，以及不少科学家来说，亚原子粒子研究就是当下物理学的全部。但在越来越短的时间尺度上研究越来越小的粒子，意味着需要越来越高的能量。所以优秀实验所需的设备每隔几年就要更新，粒子物理学实验的性质因而彻底发生了改变。大实验吸引了更多团队，这个领域变得人头拥挤。粒子物理学的论文常常在《物理评论快报》上显得异常醒目：其作者署名通常可以占据一篇论文的将近四分之一篇幅。
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然而，有些实验科学家还是更偏好单独或结对工作。他们研究更靠近手头的物质。尽管像流体力学这样的领域已经是昨日之花，但固态物理学已经跻身明日之星，并将自己的疆域扩展得足够广大，从而可以获得一个更综合性的名称——“凝聚态物理学”：研究液态、固态及其他相态的物质的物理学。在凝聚态物理学中，所需的设备要更为简单。在理论科学家与实验科学家之间的区隔也没有那么显著。理论科学家的气焰要略微收敛一些，实验科学家的愤愤也要稍微缓和一些。
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尽管如此，双方的视角仍有不同。不难想象一位理论科学家打断了一位实验科学家的讲座，并问道：多些数据点会不会更有说服力？那幅图是不是有点儿杂乱？这些数难道不应该上下延伸到更多个数量级吗？
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也不难想象，作为回应，哈里·斯温尼挺直了身子（他的个头不到一米七），以一种混合了先天的路易斯安那式冷静和后天的纽约式易怒的口气说道：“这个不假，前提你拥有无穷多的无噪数据。”6 然后他转向黑板，不以为然地补充道：“当然，在现实中，你只拥有有限的有噪数据。”
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6斯温尼。
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斯温尼当时正在做实验研究物质的性质。对他来说，转折点出现在他在美国约翰斯·霍普金斯大学攻读研究生的时候。在当时，粒子物理学如日中天。传奇的默里·盖尔曼曾来学校做过一次讲座，斯温尼也深受吸引。但当他决定看一下这个方向上的研究生在做什么时，他发现他们都在编写计算机程序或焊接火花室。正是在那之后，他开始跟随一位老一辈的物理学家研究相变——物质从固体到液体，从非磁体到磁体，从正常导体到超导体的转变。没过多久，斯温尼拥有了一个空房间——比一个储物间大不了多少，但毕竟只属于他一个人。他找来一本产品目录，开始订购仪器。很快，他有了一张桌子、一部激光器、一些冷冻设备以及一些探针。他设计了一个装置来测量二氧化碳在气–液临界点附近的导热性如何。当时的大多数人认为，届时导热性只会稍微变化。但斯温尼发现，它改变了一千倍。这着实令人激动——一个人在一个小隔间里发现了某个其他人都不知道的事情。他也观察到了这种气体（事实上，任何气体）在临界点附近时所散发的柔和光芒，即所谓的“临界乳光”——由于光的散射，物质看上去是乳白色的。
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很像混沌现象，相变也涉及一类看上去难以通过观察微观细节而加以预测的宏观行为。固体受热，温度升高，分子振动加剧。它们所占据的空间也随之扩张，迫使物质膨胀。受热越多，物质就越膨胀。但在来到一个特定温度和压力时，突变发生，变化变得不连续。就好像一根绳子原来一直在被拉长，现在它一断为二。晶体结构解体，分子相互错落。它们现在遵循流体的运动定律，一点儿也不像原来固态时的样子。分子的平均能量没什么改变，但物质（现在是一种液体、一种磁体或一种超导体）已经进入一个新领域。
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美国 AT&T 贝尔实验室的冈特·阿勒斯研究过液氦中所谓的超流体相变——随着温度降低，液体会变成某种神奇的、随心所欲流动的超流体，完全缺乏黏性或摩擦力。其他人研究过超导性。斯温尼还研究过在液态与气态的临界点附近的行为。到了 20 世纪 70 年代中期，斯温尼、阿勒斯、皮埃尔·贝尔热、杰里·戈勒布、马尔齐奥·吉利奥——这些来自美国、法国和意大利的实验科学家（他们都来自这个探索相变和临界现象的年轻传统），正在努力寻找新的课题。就好像一位邮差已经将自己派送区域的大街小巷了然于胸，他们也已经理解了物质在不同相态之间拐弯转向的独特路标。他们已经研究过物质在它上面将摇摇欲坠的那个悬崖边缘。
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相变研究的队伍长久以来借助了类比的指引：非磁体–磁体相变被证明类似于气–液相变，流体–超流体相变被证明就像导体–超导体相变。一个实验的数学可以被应用于其他许多实验。到了 20 世纪 70 年代，相变问题已经大体上得到了解决。现在，剩下的一个疑问是，相变理论可以推广到多远？世界上还有其他哪些改变，在经过仔细检视之后，也将被证明其实是相变？
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将相变理论应用于流体流，这个想法既不是特别有原创性，但也不是非常显而易见。它不是特别有原创性，因为伟大的流体力学先驱雷诺和瑞利及其在 20 世纪初的追随者早已注意到，一个精心控制的流体实验可以创造出一种运动的质变——换用数学用语来说，一种分岔。比如，在一个流体单元中，底部受热的液体会突然从静止变成运动。物理学家这时不禁会设想，这种分岔的物理性质可能类似于物质相变时的那种改变。
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但这个想法也不是非常显而易见，因为不像真正的相变，流体的这些分岔没有改变物质本身。相反，它们只是增添了一个新的元素：运动。静止的流体变成了流动的流体。这样一种改变的数学有什么理由应该对应于气体冷却变为液体时的数学呢？
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1973 年，斯温尼正在美国纽约市立学院教书。杰里·戈勒布，一位刚从哈佛大学毕业不久的博士，则正在哈弗福德学院教书。7 作为一所坐落在费城附近乡间的文理学院，哈弗福德学院看上去不太像一位物理学家的理想归宿。它只招收本科生，因而没有研究生来协助实验室的工作，来填补非常重要的导师–弟子合作关系中的底下一环。不过，戈勒布热爱教授本科生，并开始致力于将学院的物理系建成一个日后以高品质的实验研究而知名的学术重镇。在那一年，他学术休假一个学期，来到纽约，与斯温尼展开合作。
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7斯温尼，戈勒布。
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基于流体失稳可与相变相类比的设想，这两个人决定考察一个液体被限制在两个同心圆筒之间的经典系统。两个圆筒相对转动，带动它们之间的液体流动。整个系统将流体流限定在一定范围之内。因此，它限制了液体在空间中运动的可能性，从而不像开放空间中的喷射和尾流。同轴旋转圆筒系统会生成所谓的泰勒–库埃特流。通常，为便利起见，只有内筒旋转而外筒静止。随着内筒开始旋转，液体也随之平稳地开始流动，而随着转速提高，达到某个临界值，二次流动出现，导致失稳，然后最终进入一个新的稳定状态，形成一种精致的运动模式（或所谓斑图），有点儿像我们在加油服务站见到的轮胎层层堆叠在一起的样子：甜甜圈形状的涡旋出现在圆筒周围，一个叠在另一个上面，并且相邻涡旋的方向相反。这种现象已经得到很好的理解，G. I. 泰勒在 1923 年就见到并测量了它。
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